В
эпоху всеобщего увлечения водородом разного цвета, «Газпром» представил
широкому кругу специалистов уникальную установку по извлечению гелия и
производству гелиевого концентрата. Эта разработка может стать одной из самых
успешных технологий на газовом рынке, которая позволит России в будущем стать
лидером по производству гелия.
Солнечный газ
Гелий – поистине уникальный газ без цвета, вкуса и запаха. Он не токсичен, не
горюч, не взрывоопасен и феноменально химически пассивен. По распространенности
во вселенной он занимает второе место после водорода. Этот газ впервые
зафиксировали в короне Солнца в 1868 году, и только через 27 лет обнаружили в
минералах Земли. Не зря один из первооткрывателей этого газа англичанин Норман
Локьер присвоил ему название «гелий» (от древнегеческого ἥλιος — «солнце»).
Гелий является лучшим проводником электричества среди газов и вторым
проводником тепла после водорода. Температура его кипения самая низкая из всех
известных человечеству веществ равна минус 269 градусов Цельсия. Температуры
плавления у этого газа нет вообще, поскольку жидкий гелий при сколь угодно
близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает. Эти свойства делают
гелий незаменимым газом в отдельных отраслях промышленности.
От
акваланга до адронного коллайдера
Гелий используется в атомной промышленности, в космических технологиях, в
производстве деталей мобильных телефонов, полупроводников, жидкокристаллических
экранов, оптических волокон, вычислительной и измерительной техники, для
охлаждения ядерных реакторов и в других областях.
Благодаря низкой температуре кипения и уникальной сверхтекучести гелий активно
применяется в криогенных системах. Порядка 28% мирового спроса на «солнечный»
газ приходится на сферу производства и эксплуатации медицинской техники, где
жидкий гелий используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов в аппарате
МРТ.
Гелий применяют в охладительной системе синхрофазотронов, в том числе
построенном в городе Дубна. Но высшей ступенью стало применение этого газа в
многоступенчатой охладительной системе ускорителя Большого андроннного
коллайдера, созданного в рамках проекта CERN недалеко от Женевы. Работа
коллайдера требует поддержки температуры в минус 271,25 градуса Цельсия, что
под силу обеспечить только гелию.
Еще 18% мирового потребления гелия приходится на разные виды сварочных работ,
15% - на сферу электроники, в том числе для охлаждения во время производства
экранов гаджетов и при создании оптического волокна. Сверхтекучесть гелия
позволяет использовать этот газ для поиска утечек в трубопроводах и котлах, а
его легкость — для закачки в баллоны для метеозондов и аэростатов. Кроме того,
гелий используется в геологии для определения глубоких разломов, изучения
глубинных недр Земли и поиска геотермальных источников.
Отдельной областью применения является создание дыхательных смесей для
глубоководного погружения водолазов. Российские ученные на основе этого опыта
сейчас разрабатывают методики применения газовых смесей с гелием для лечения от
коронавирусной инфекции.
«Вышеперечисленные
области использования относятся к гелию-4. Однако в составе гелия-4 содержится
в миллионных долях его изотоп – гелий-3, имеющий стратегическое значение для
науки и техники с учетом его способности вступать в реакции термоядерного
синтеза практически без радиоактивного излучения. Это дает основание
рассматривать гелий-3 как топливо термоядерных реакторов, за которыми будущее
энергетики. Анализ областей использования гелия показывает, что с учетом
уникальности свойств в ряде областей гелий невозможно заменить другими
веществами», – отмечает в своей работе один из разработчиков
мембранной установки по извлечению гелиевого концентрата заместитель начальника
Центра предпроектных исследований Саратовского филиала «Газпром проектирование»
Наталья Кисленко.
Воздушный
шарик станет золотым
Таким образом, в будущем спрос на гелий будет только расти вслед за развитием
новых высокотехнологичных отраслей промышленности. Подталкивать спрос на него
будут всё более активное проведение медицинских исследований с помощью МРТ и
коммерческое освоение космоса. По оценкам CREON Group, с 2016 по 2019 годы
мировой спрос на гелий в космическом секторе вырос на 9%, а к 2024 году, он
увеличится еще на 21%.
Не менее важным стимулом станет постоянное увеличение используемых людьми
гаджетов. По данным экспертов, с 2016 по 2020 годы количество пользователей
смартфонов в мире выросло с 3,7 миллиарда до 6,1 миллиарда человек. К 2024 году
число мобильных устройств в мире достигнет 17,7 миллиарда штук.
Объем мирового производства и потребления гелия по разным оценкам до 2020г.
составлял от 170-190 млн кубометров в год. Но уже в среднесрочной перспективе
он может превысить 200 млн кубометров в год. По прогнозам Research and Markets,
к 2025 году мировой рынок гелия достигнет 18,2 млрд долларов, увеличившись в
среднем на 13%. Так что в скором времени простой шарик с гелием на детском
утреннике станет по-настоящему золотым.
Добыть
нельзя использовать
Основной проблемой производства товарного гелия является то, что на Земле он
содержится в основном в природных газах, причем в незначительных количествах: в
тысячных, сотых и очень редко – в десятых долях процента. По примерным оценкам,
мировые запасы гелия составляют порядка 40 млрд кубометров. В России
сосредоточено около 34% этих запасов, при этом основная доля всех отечественных
ресурсов гелия приходится на месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Второе место по запасам гелия занимает Катар (21-25%), третье и четвертое места
делят США (18%) и Алжир (17%).
Тот факт, что гелий является лишь примесью в природных газах, добываемых в
качестве энергоресурсов, и определяет двойственность процессов производства
гелия. Масштабное развитие цифровых технологий только начинается, а вот
месторождения газа, обладающие серьезными запасами гелия, уже разрабатываются.
Волей не волей, производство гелия превышает текущий спрос на него. В
результате, часть гелия отправляют сразу на переработку, а другую часть – в
виде концентрата закачивают в специальные хранилища.
Три
страны - три судьбы
Принцип выделения гелия из природного газа и закачки его в федеральное
резервное хранилище впервые внедрили Соединенные Штаты Америки, которые уже
около века являются главным потребителем и производителем гелия. До сих пор
Соединенные Штаты обеспечивают около 50% поставок этого газа на мировой рынок.
Между тем, еще десять лет назад их доля достигала 86%.
Частично поставки идут за счёт нового производства, а частично – за счёт
извлечения гелия из хранилища Клиффсайд, которое было создано в 19 километрах от города
Амарилло, штат Техас, еще в 1925 году. Максимальный объем хранилища достигал
порядка 1 млрд кубометров газа. В начале XX века хранилище обеспечивало
поставки благородного газа для дирижаблей, в 1950 годах гелий стали
использовать как охлаждающую жидкость при производстве оружия, затем этот газ
нашел применение в бурно развивающихся космических технологиях. С 1990-ых годов
предпринималось несколько попыток продажи запасов гелия либо приватизации
хранилища Клиффсайд, но все они заканчивались появлением дефицита и резким
ростом цен на «солнечный» газ. В итоге в 2013 году был принят специальный акт
The Helium Stewardship Act, который продлил срок службы хранилища Клиффсайд.
Документ также установил, что как только объемы гелия в хранилище снизятся с
300 млн кубометров до 100 млн кубометров, продажи гелия будут осуществляться
только федеральным потребителям.
При этом США сокращают собственное потребление благородного газа, находя ему
более дешевые заменители. К примеру, на производстве оптоволоконных кабелей
вместо гелия можно использовать аргон и азот. Аргон также используют вместо
гелия в сварке, водород – при обнаружении утечек (хотя очевидно, что водород
более опасный в использовании газ), азот и водород – в хроматографии.
Катар, крупнейший производитель сжиженного природного газа, стал заниматься
продажами гелия скорее для получения дополнительных доходов от побочного
продукта. Концентрация гелия на катарских месторождениях не превышает 0,1%
мольн. Но при производстве СПГ метан переходит в жидкое состояние примерно при
минус 162 градусах Цельсия. После этого остаётся «мусорный» концентрат из
гелия, водорода, кислорода и других газов. Объем гелия даже в этом замороженном
коктейле небольшой, но он стоит в 20-30 раз дороже метана. Полученный гелий
доставляется через Саудовскую Аравию в Дубаи в гелиевые логистические центры
компаний Linde, Air Liquide и Iwatani. Сейчас доля Катара на мировом рынке, по
разным оценкам, составляет от 21 до 25%.
Третье место по объемам поставок гелия на мировой рынок занимает Алжир. В этой
стране сосредоточено 17% всех мировых запасов «солнечного» газа. Основной объём
гелия извлекается из газа гигантского месторождения Хасси-Рмель (содержание
гелия – 0,17%). Практически весь извлекаемый гелий идет во Францию, которая не
столько потребляет благородный газ сама, сколько реэкспортирует его в другие
страны. При этом объемы производства гелия в Алжире практически не растут, и к
2030 году не превысят 32 млн кубометров в год
«Звезда
по имени Солнце»
В СССР гелий использовался, в основном, в космических технологиях, поэтому он
был внесен в список продуктов стратегического назначения и информация о нем
была засекречена. Единственный завод по производству гелия - Оренбургский
гелиевый завод – создавался на базе Оренбургского нефтегазоконденсатного
месторождения. Запасы этого месторождения на данный момент истощены, а
производство гелия на Оренбургском заводе не превышает 5 млн кубометров в год.
С запуском в эксплуатацию Чаяндинского и Ковыктинского месторождений газа в
Восточной Сибири перед Россией открываются реальные перспективы стать новой
звездой на мировом рынке «солнечного» газа. Содержание гелия в газе этих
месторождений составляет от 0,2 до 0,8% мольн. С учетом объемов добычи
природного газа на Чаянде и Ковыкте, объем извлечения гелия будет равен
мировому уровню потребления, и составит порядка 180 млн кубометров в год.
«При
любом прогнозном варианте более половины добытого с газом гелия, не будет
востребовано мировым рынком в ближайшие годы. Но с учетом того, что второго
шанса по открытию месторождений с высоким содержанием гелия в России может не
быть, необходимо обеспечить сохранение этого ценного и уникального продукта»,
- отмечает Н.Кисленко.
Согласно технологическому решению, треть этого газа (60 млн кубометров в год)
будет поставляться для дальнейшей переработки на Амурский газоперерабатывающий
завод. В случае роста рыночной потребности завод может увеличить производство
товарного гелия до 80 млн кубометров в год.
Остальные объемы в виде концентрата будут закачиваться в подземные хранилища в
обособленных продуктивных пластах Чаяндинского месторождения. Такое хранилище
сможет содержать свыше 5 млрд кубометров гелия в течение нескольких
десятилетий. Это и позволит России долгое время оставаться мировым лидером
производства благородного газа.
Революционная
мембрана
Первая из трех очередей по производству гелия мощностью в 20 млн кубометров в
год была запущена на Амурском ГПЗ в сентябре прошлого года. После вывода ГПЗ на
полную производительность в 60 млн кубометров гелия, завод станет мировым
лидером по производству «солнечного» газа. Произведенный в сентябре жидкий
гелий был отгружен в страны азиатско-тихоокеанского региона через созданный
крупнейший в мире гелиевый хаб. Изоконтейнеры, в которых перевозится жидкий
гелий, позволяют поддерживать температуру до минус 269 градусов Цельсия,
обеспечивающую сохранение гелия в жидком состоянии.
С учетом того, что на Амурском ГПЗ одновременно с гелием выделяется азот, было
принято решение о применении традиционной криогенной технологии.
Между тем, газ Чаяндинского месторождения помимо гелия содержит высокий процент
легких углеводородов С2+ , поэтому при получении гелиевого концентрата для
хранения применяется уже принципиально иная – мембранная технология. Она менее
капиталоемкая, более энергоэффективная и простая в эксплуатации. Мембранная
установка дает возможность извлекать гелий в небольших объемах (менее 2% объема
от исходного газа) в виде концентрата, то есть смеси гелия и метана.
Одновременно эта технология позволяет получать целую гамму легких
углеводородов, служащих сырьем для полимерной и химической продукции.
Принципом работы мембранных систем является разница в скорости проникновения
компонентов газа через материал мембраны. Основной поток газа проходит мембрану
байпасом практически без потерь давления. Целевые компоненты проходят через
мембрану со значительными потерями давления. В данном случае потоком низкого
давления является гелиевый концентрат, содержащий до 40% мольн. гелия в своем
составе. В соответствии с разработанной технологией, доля гелиевого концентрата
от объема сырьевого газа не превышает 2% При этом наличие примесей в виде
углеводородов не оказывают негативного влияния на данный процесс. Гелиевый
концентрат, выделенный с использованием 2-х ступенчатой схемы мембранного
газоразделения, компримируется и направляется на закачку. Подготовленный газ,
содержащий не более 0,05% мольн. гелия, смешивается с байпасным газом (не
прошедшим через установку) и поступает на Амурский ГПЗ.
Первая экспериментальная мембранная установка по извлечению гелия была
построена еще в 2013 году и проходила испытания на Ковыктинском
газоконденсатном месторождении. Испытания были признаны успешными, и в марте
2020 года на Чаяндинском месторождении была введена в эксплуатацию уже первая промышленная
мембранная установка. Она включает 2 ступени газоразделения и состоит из шести
технологических линий, производительность каждой из которых достигает 5,32 млрд
кубометров природного газа в год. Вывод мембранной установки на полную мощность
ожидается в 2024г.
Установка мембранного выделения гелиевого концентрата
является по-настоящему прорывной отечественной инновационной технологией, не
имеющей аналогов в мировой практике. Успешное применение на Чаяндинском
месторождении позволит масштабировать и расширить сферу ее применения на других
месторождениях «Газпрома».
Но основная задача мембранной установки – превратить Россию в лидера по
производству гелия именно тогда, когда «солнечный» газ будет наиболее
востребованным.
Пресс-служба ассоциации
«Глобальная энергия»